1、本科生毕业设计说明书学 院 化工学院 专 业 化学工程与工艺 年 级 2009级 姓 名 指导教师 2013年 03 月 16 日摘 要本文是对年产10万吨甲醇合成与精馏工艺设计的总结与评价。首先绘制了详细的工艺流程图（PFD），给出所有流股的温度、压力及组成条件，对其中的各个设备进行详细说明；根据每个设备不同的特点，制定了控制方案，并由此绘制出PID。遵循安全生产的原则，对整个厂区进行平立面布置，并确定出合成工段和精馏工段中各设备的具体位置和安全距离。为了确保安全生产，对各类设备进行了危险与可操作性分析（HAZOP分析），详细分析了操作过程中可能出现的偏差、原因以及可行的解决方案。为了考察方
2、案的经济性，对整个设计进行了详细的经济评价和敏感性分析，得出设计方案切实可行的结论。最后制定了详细的开停车方案，并对整个设计进行总结。关键词：PFD；PID；设备说明；HAZOP分析；经济评价；控制；开车停车；厂区布置。天津大学2013届本科生毕业设计目 录第一章 PFD图和流程说明11.1工艺流程图（Process Flow Diagram）11.2 物料平衡表11.3 流程说明1第二章 完整设备说明22.1反应器设备说明22.2 精馏塔设备说明32.3换热器类设备说明82.4 泵类设备说明9第三章 管道仪表流程图10第四章 厂区平面图布置114.1平面布置设计理念114.2 平面布置原则1
3、14.3 平面布置方案114.4 厂区平立面布置图14第五章 完整的HAZOP分析155.1 HAZOP分析概述155.2 HAZOP方法的作用155.3 安全评价方法175.3.1 合成塔R101 HAZOP分析175.3.2 原料换热器E101 HAZOP分析225.3.3 气液分离器V101 HAZOP分析235.3.4 预塔预热器E103 HAZOP分析255.3.5 预塔再沸器E104 HAZOP分析265.3.6 加压塔进料泵P102A,B HAZOP分析275.3.7 预精馏塔T101 HAZOP分析295.3.8 常压塔T103 HAZOP分析325.3.9 甲醇生产工段的HA
4、ZOP分析34第六章 经济性分析376.1 投资估算376.1.1 工程概况376.1.2 编制依据376.1.3 投资分析376.1.4 流动资金估算406.1.5 建设项目总投资406.2 财务分析406.2.1 财务评价基础数据与参数选取406.2.2 销售收入估算426.2.3 成本费用估算436.2.4 财务评价报表436.2.5 财务评价指标446.2.6 不确定性分析45第七章 工厂控制方案517.1 甲醇合成工段517.2 精馏工段53第八章 甲醇工艺开停车方案548.1 试车阶段548.1.1 总体试车原则548.1.2 试车前对于各专业的要求558.2 甲醇合成塔开停车方案
5、：558.2.1 正常开车操作方案：558.2.2 正常停车操作方案：578.2.3 紧急停车或联锁跳车操作方案：578.3 三效精馏开停车方案：578.3.1 正常开车程序：578.3.2 停车程序59第九章 结论61参考文献63附录6468第一章 PFD图和流程说明1.1工艺流程图（Process Flow Diagram）工艺流程图见附图。1.2 物料平衡表物料平衡表见附表F1-1至F1-2。1.3 流程说明合成气首先经过一级压缩后与循环气混合，再经历二级压缩到5.15MPa，加热到220 oC进入反应器进行反应，反应压力为5MPa，温度为260 oC。反应后的高温气体进入热交换器与冷的
6、原料气换热后，进一步在水冷却器中冷却至40 oC，然后在分离器中分离出液态粗甲醇和气体组分，气体组分进行少量放空后循环利用，而放空气中由于含有一定量的甲醇组分，利用水洗罐将甲醇回收出来，与分离器中分离出来的粗甲醇进行混合。粗甲醇先经过节流阀把压力降低到0.4MPa，后经过换热器加热到70 oC到达闪蒸罐进行闪蒸，除去其中的轻组分，下面产出较为纯净的粗甲醇，在其中加入一定量的氢氧化钠，用于中和某些酸性副产物。由于蒸出的轻组分中有一定的甲醇存在，使之经历水洗罐回收甲醇组分后与闪蒸罐产出的粗甲醇混合后进入预精馏塔中精馏。塔顶出来的轻组分经历进一步冷却，冷凝下来的液体组分回流继续精馏，其余气体放出。塔
7、底出来的粗甲醇经过泵、换热器后达到125 oC、0.7MPa的条件，打入高压塔进行进一步精馏，塔顶出来的气体与常压塔塔釜换热冷凝成为液体进入分流器，1/4采出作为精甲醇产品，3/4回流。高压塔塔釜出来的粗甲醇冷却至60 oC进入常压塔，常压塔塔顶则产出精甲醇组分，与高压塔产出的精甲醇混合之后一并降温至40 oC进入灌区储存。第二章 完整设备说明2.1反应器设备说明1、反应器R101表2-1 反应器设计条件说明编号设备名称R101管壳式甲醇合成反应器管程壳程工作温度/220.0260.0242.5工作压力/MPa5.03.4介质合成气沸腾水规格382mm-塔高度/m12.6换热面积/m21714
8、.12容器类别一类表2-2 反应塔各部件材料与规格说明零部件名称材料规格数量高度/m反应管30438237646中间筒体0Cr18Ni9=3400mm=54mm16加强筒体0Cr18Ni9=3400mm=78mm21.5球形封头15CrMoR=78mm2-管板0Cr18Ni9=100mm2裙座16MnR=50mm1-法兰20MnMo-2-折流板0Cr18Ni9=10mm5-气体入口-45771-气体出口-50881-水入口-703无缝钢管2-蒸汽出口-1213无缝钢管2-2.2 精馏塔设备说明1、预精馏塔T101表2-3 预精馏塔材料、附件及管道设计计算结果项目数值塔径D /mm600塔高/m
9、20.15设计压力/MPa0.25操作压力/MPa0.10精馏段填料层高度Z /m2.0提馏段填料层高度Z /m8.0塔顶空间高度 /m0.4塔底空间高度H /m2.0裙座高度H /m5.0筒体公称直径 DN /mm600筒体计算厚度d /mm3.2筒体材料Q235A许用应力/MPa113筒体名义厚度n /mm6筒体有效厚度 /mm4.75筒体焊缝系数0.85钢板负偏差，mm0.25筒体腐蚀裕量，mm1封头材料Q235A曲面高度h1 /mm150直边高度h2 /mm25封头厚度/mm6封头质量M /kg20.4精馏段填料层压降p /MPa6.0010-4提馏段填料层压降p /MPa2.4010
10、-3液体分布器喷淋密度点/m2250布液点数n71孔径/mm8.15进料管公称直径80塔顶气体出口管公称直径125回流管公称直径DN32塔釜液体出口管公称直径100塔釜蒸汽进口管公称直径DN250塔顶采出管公称直径DN32塔釜采出管公称直径DN1002、加压塔T102表2-4 塔体工艺条件尺寸计算项目数值塔径D /mm1600进料位置25 实际塔板数36板间距，m0.4溢流形式单溢流降液管形式弓形受液管形式凹形堰长，m1.28堰高，m0.031板上液层高度，m0.05精馏段堰上液层高度，m0.0305提馏段堰上液层高度，m0.0310降液管底隙高度，m0.0207降液管宽度，m0.32降液管截
11、面积，m0.301安定区宽度，m0.035边缘区宽度，m0.05开孔区面积， 1.243筛孔直径，m0.003筛孔数目，m17724孔中心距，m0.009开孔率，%10.1筛板厚度，m0.003精馏段空塔气速，m/s0.460提馏段空塔气速，m/s0.461精馏段干板阻力，m液柱0.0451提馏段干板阻力，m液柱0.0441精馏段液层阻力，m液柱0.0305提馏段液层阻力，m液柱0.0295精馏段液体表面张力阻力，m液柱0.0026提馏段液体表面张力阻力，m液柱0.0042精馏段筛孔气速，m/s7.16提馏段筛孔气速，m/s7.39每层塔板压降，Pa747.39表2-5精馏塔材料、附件及管道设
12、计计算结果项目数值筒体设计压力，MPa0.8筒体材料Q235-A许用应力，MPa113焊缝系数0.85钢板负偏差，mm0.5腐蚀裕量，mm2筒体壁厚，mm10筒体有效厚度，mm7.5筒体公称直径，mm1600封头材料Q235-A封头壁厚，mm10封头有效厚度，mm7.5封头公称直径，mm1600曲面高度，mm400直边高度，mm40裙座高度，m5人孔数3人孔直径，m0.6开孔处板间距，m0.8塔顶空间高度，m0.8塔底储液停留时间，min6塔底储液空间，4.687塔底储液高度，m3.93实际塔高（不包括裙座），m14.98进料管 DN65 再沸进气管DN250出气管DN250回流管DN65出料
13、管DN653、常压塔T103表2-6精馏塔材料、附件及管道设计计算结果项目数值筒体设计压力，MPa0.25筒体材料Q235-A许用应力，MPa113焊缝系数0.85钢板负偏差，mm0.18腐蚀裕量，mm2筒体壁厚，mm5筒体有效厚度，mm2.82筒体公称直径，mm1600封头材料Q235-A封头壁厚，mm6封头有效厚度，mm3.82封头公称直径，mm1600曲面高度，mm400直边高度，mm25裙座高度，m5人孔数5人孔直径，m0.5塔顶空间高度，m0.5实际塔高（不包括裙座），m33.875进料管573mm再沸器出气管55013mm出气管5609mm回流管703mm出料管503mm再沸器进料
14、口160.5mm2.3换热器类设备说明1、换热器表2-6设备说明参数管程壳程质量流量/( kg/h)13937.9318.45进口温度/ 64.3115出口温度/ 4030流体压力/ MPa0.10.1主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.9970.705表面传热系数/W/(m2K)1642.854351.81污垢热阻/（m2K/W）0.000171970.00017197设计温度/200200设计压力/MPa22热负荷/kW1155.92传热温差/K27.06传热系数/W/(m2K)641.41安全系数23.05 %设备结构参数-形式管壳式列管换热器，单壳程单管程壳体直径/mm600管径/
15、mm252.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数目190传热面积/m281.95折流板数29板间距/mm2002、换热器2表2-7设备说明参数管程壳程进/出口温度/41.013/6085/75流体压力/MPa0.40.4主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.6930.364污垢热阻/（m2k/W）0.000171970.00017197设计温度/200/0200/0设计压力/MPa22热负荷/W299576传热温差/K20.08传热系数/W/(m2K)651.3安全系数19.46%设备结构参数-形式固定板壳体内径/mm500管径/mm252.5管长/mm4000管数目68
16、传热面积/m218壳程数1管心距/mm32管子排列正三角形折流板数19板间距/mm2002.4 泵类设备说明表2-8 泵的设备说明型号泵形式转速（r/min）流量（m/h）扬程/m效率/%轴功率/kW必须汽蚀余量/m质量（泵/底座）/kgIS80-50-250IS型单级单吸离心泵2900301234422.83152/100第三章 管道仪表流程图管道仪表流程图见附图。第四章 厂区平面图布置4.1平面布置设计理念对于年产10万吨甲醇厂区的平面图布置，要秉承以人为本的根本宗旨，安全、环保以及便利等因素统筹兼顾。除合理布置与生产直接相关的车间、控制室、罐区和办公区外，还要留有空间进行厂区绿化建设，增
17、设让厂区工作人员在休息时间活动休闲的场地，如篮球场、图书室等。另外，考虑到该厂未来的发展规划，要在工艺区的周围适当区域规划为预留空地，供未来扩建之用。4.2 平面布置原则本设计厂区平面图布置主要以物料流通路径最经济、快捷，生产运行控制最安全、合理，检测维修及事故抢险最方便的原则进行，具体包括几点：（1）尽量考虑生产工艺流程的要求，避免物流交叉，缩短物流路线，并尽量减少人流和物流的交叉；（2）对公用工程有大需求的车间应着重考虑其与外界的联系，并尽量靠近其供应源，遵守“负荷集中”的原则；（3）厂区内与外界有大运输量的车间应尽量布置在厂区外缘；（4）满足消防安全、环保等部门的要求，创造良好的生产和生
18、活环境（易燃易爆车间不能布置在厂区中央，并同时考虑相邻车间的安全，有粉尘、气味的车间尽量布置在下风口，有火焰的工艺车间或者辅助生产车间等要置于上风口等）；（5）节约用地，并考虑远期发展要求；（6）利用和改造好地形，使土方量最小，并使厂区的雨水能顺利排除。4.3 平面布置方案在具体进行平面布置时，本着上文提及的平面设计理念与布置原则，综合考虑一切相关因素，在满足必要设计要求的同时尽量多的满足非必要但合理的设计要求，做到方案的科学、合理、最优化2,3。按照化工厂布局的传统方式，可分为六大区域，分别为工艺装置区、罐区、公用工程区、辅助生产区、运输装卸区以及管理区。结合本设计项目，首先，工艺装置区可分
19、为四大车间，分别为合成车间、预精馏车间、加压精馏车间以及常压精馏车间。罐区有原料储罐、产品储罐及各个工段退料罐。公用工程区有蒸气发生室、公用水供应及循环室、压缩机室、变电室等。辅助生产区有机修车间、焊接车间、临时仓库等。运输装卸区包含原料、必要燃料以及建厂及维修所需要的材料等的运进，产品的运出等。管理区包括办公室、中央控制室等。除传统的六大区域外，本厂还有生活休闲区、发展预留区以及绿化区。生活休闲区主要包括食堂、篮球场、图书室以及浴室等。发展预留区主要以空地、草地形式存在，为远期厂区扩建使用。绿化区存在的意义不仅有利于厂区美观，更有利于在一定程度上吸收厂区内漂浮的污染物及灰尘，对工作人员的身心
20、健康有很大益处。其中，工艺装置区为厂区平面图布置的核心。而且工艺装置区是工厂中最危险的区域，因为这个区域汇集了一级危险源，存在毒性及易燃物质，存在高温、高压、明火等。此外，该区域有很多机械设备，容易发生故障，加上人员可能的失误而使其充满危险。从厂区平面图设计安全因素考虑，唯一可取之处就是尽量减少该区域以及附近的人员数量。工艺装置区应该离开工厂边界有一定的安全距离，应该是集中而不是分散的分布。后者有助于工艺装置区作为危险区的识别，杜绝或减少无关车辆的通过，同时也有利于减少各个车间之间连接管路的长度与铺设难度，降低危险发生的可能性。但是，工艺装置区不宜过度拥挤。因为不同过程单元间也存在交互危险性。
21、由于甲醇厂的工艺装置区会产生易燃易爆的蒸气、粉尘等，因此工艺装置区应置于下风口，远离人员集中区域以及厂区内主要的火源。而且，考虑到工艺装置区与罐区的交互危险性，二者应保持一定的安全距离。对于罐区，作为原料、产品以及各个工段退料的贮存容器集中地，应引起特别的重视。由于贮罐能释放大量的毒性或易燃性物质，需置于工厂的下风区。另外，罐区应安置在工厂中的专用区域，这样有助于加强其作为危险区的标识，使通过该区域的无关车辆降至最低限度。罐区与管理区、辅助生产区之间都要保持足够的安全距离，与工艺装置区、公路间要留出有效的间距。考虑到贮罐泄漏等相关危险的可能性，罐区应设在地势比工艺装置区略低的区域，杜绝设在高坡
22、上。除以上因素外，考虑到一旦发生危险、故障等的及时抢修，防止危险扩大化、严重化，每一罐体至少可以在一边由通路到达，尽量保证可以在相反的两边由通路到达。对于公用工程区，为确保一旦遇到紧急情况仍保证水、电、汽等的正常供应，公用工程区应远离工艺装置区、罐区和其他危险区。由厂外进入厂区的公用工程干管，应尽量不通过危险区，如果难以避免，则应该采取必要的保护措施。工厂布局应该尽量减少地面管线穿越道路。管线配置的一个重要特点是在一些装置中配置回路管线。回路系统的任何一点出现故障即可关闭阀门将其隔离开，并把装置与系统的其余部分接通。要做到这一点，就必须保证这些装置至少能从两个方向接近工厂的关节点。为了加强安全
23、，特别是在紧急情况下，这些装置的管线对于如消防用水、电力或加热用蒸汽等的传输必须是回路的。锅炉设备和配电设备应该设置在易燃液体设备的上风区。锅炉房和泵站应该设置在工厂中其他设施的火灾或爆炸不会危及的区域。管线在道路上方穿过要引起特别注意。高架的间隙应留有如起重机等重型设备的方便通路，减少碰到的危险。管路一定不能穿过围堰区，因为围堰区的火灾有可能毁坏管路。对于运输装卸区，良好的工厂布局不允许铁路支线通过厂区，可以把铁路支线规划在工厂边缘地区解决这个问题。在装卸台上可能会发生毒性或易燃物的溅洒，装卸设施应设置在工厂的下风区域，尽量设置在工厂边缘地区。原料库、成品库和装卸站等机动车辆进出频繁的设施，
24、不得设在必须通过工艺装置区和罐区的地带，与居民区、公路和铁路要保持一定的安全距离。对于辅助生产区，维修车间和研究室要远离工艺装置区和罐区。由于维修车间是重要的火源，同时人员密集，应该置于工厂的上风区域。研究室与其他管理机构，直接连接也是不可取的。管理区作为主要的办事机构应该设置在工厂的边缘区域，并尽可能与工厂的危险区隔离。这样做有以下理由：首先，销售和供应人员以及必须到工厂办理业务的其他人员，没有必要进入厂区。因为这些人员不熟悉工厂危险的性质和区域，而他们的普通习惯如在危险区无意中吸烟，就有可能危及工厂的安全。其次，办公室人员的密度在全厂可能是最大的，把这些人员和危险分开会改善工厂的安全状况。
25、对于生活休闲区，包含食堂、篮球场和图书室，人员密度较大，而且又有与人员身体健康息息相关的食堂存在，因此应该置于工厂上风区，并且尽量与有关生产的其他区域远离。对于发展预留区，考虑到留有过多的发展预留区不仅降低了土地的利用率，而且高额的土地租用资金也会大大的增加成本。因此，发展预留区的面积要结合工厂当时经营状况与未来发展规划计算而得，且要设置在厂区四周。关于绿化区，随着工业的发展，污染越发严重。而化工业作为传统工业，在生产过程中不可避免会排放一些有毒有害气体，为了保护环境，保障工作人员身心健康，提高工作人员的工作效率和积极性，各个新建的化工厂都应重视厂区内即周边负责区域的环境绿化与美化。本厂区设计
26、采用重点绿化与条带状绿化相结合的方案进行绿化工作。关于厂前区的绿化，因为厂前区以及厂正门在很大程度上代表工厂形象，体现工厂的面貌，是工作人员上下班集散的场所，更是给客户、合作伙伴参观创造第一印象之处，因此厂前区绿化意义重大。绿化布置首先考虑厂正门口的交通和具体情况，既要方便车辆和职工上下班通行，又要同建筑造型相协调，要保证绿化的质量和档次。在门前广场及两侧设立一定形状的花坛和花台，里面种植色彩绚丽的花卉以及灌木，两侧可种植高大的常绿树木等。关于生产区域的绿化，应以满足功能上的要求为主。由于本年产10万吨甲醇厂厂区面积不大以及对操作人员视线的影响问题，不适于种植高大的落叶乔木。如果情况允许，在工
27、艺生产区和发展预留地之间的空地上大面积铺栽草坪，适当点缀花卉灌木，用绿色植物净化空气，增加空气湿度，减少尘土飞扬的可能。关于罐区的绿化设计，要综合考虑消防、交通运输和装卸方便的要求，应选用防火树种，禁用易燃树种，绿化布置宜简洁。在罐区和发展预留地之间栽植高大、防火、隔尘效果好的落叶阔叶林，以利夏季工人遮荫休息。关于厂区内道路的绿化设计，应与通道两侧建构筑物、地下地上管道、道路、人行道等的设置相协调。一般应满足吸尘、防噪、遮阳、交通安全和美观的要求。在本甲醇厂设计中，在车行道与人行道之间设置绿化带，绿化带采取落叶乔木与灌木湿交斡植的方式，既可以防尘、防噪、遮阳，又可以分割人流和车流4。4.4 厂区平立面布置图厂区平立面布置图见附图。第五章 完整的HAZOP分析5.1 HAZOP分析概述由于本设计的流程较复杂，设备较多，且系统中涉及的物料多为易燃易爆，导致系统的事故发生几率和危害程度大大增加。目前，化工厂的生产安全已经成为重大社会问题，因此为了保证安全、正常的生产操作，保护工厂人员的人身安全，需要在设计阶段进行完整的HAZOP分析。HAZOP（Hazard and Operability Analysis），即危险与可操作性分析，是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法，方法的本质就
